响应面法优化五味子泡腾颗粒固体饮料的制备工艺

刘 洋

(长春职业技术学院 食品与生物技术分院，吉林 长春 130033)

五味子为木兰科植物五味子的干燥成熟果实，主产于我国东北和华北地区，具有收敛固涩、益气生津、补肾宁心之功效[1]。五味子果实含有柠檬酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸等多种有机酸，还含有维生素A、维生素B、树脂、糅质及铁、硅、锰、磷等矿物质[2-3]。五味子的有效成分为木脂素类化合物。目前已从五味子中分离出32种木脂素单体，其中7种单体(五味子甲素、乙素、丙素、醇甲、醇乙、酯甲、酯乙)均属于木脂素成分中的联苯环辛烯类化合物[4]，具有降低肝炎患者血清谷丙转氨酶水平的作用。护肝片是我国用于治疗肝损伤的常用药物，具有疏肝理气、健脾、消食、降低转氨酶的作用[5]。近年来发现护肝片除了具有保肝降酶的作用外，还具有抗癌[6]、抗艾滋病毒(HIV)[7]、拮抗血小板活化因子[8]和抑制醛糖还原酶[9]等活性，并且可以增强人体免疫力[10]。

泡腾颗粒是近年来发展起来的一种较为新型的制剂，内含泡腾崩解剂，即有机酸和碳酸氢钠，遇水后酸和碱会发生化学反应，释放大量二氧化碳使颗粒剂迅速崩解。同时，二氧化碳气体刺激味蕾，产生碳酸饮料的风味，可增强饮料口感。

本研究采用“药食同源”的五味子为原料制备五味子泡腾颗粒固体饮料，并对其制备工艺进行优化。目前以五味子为主要原料的保健食品还属空白，开发相应产品具有良好的市场前景。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

北五味子：产地延吉；柠檬酸、NaHCO3：长春东康医药科技有限公司；聚乙二醇-6000(PEG-6000)、聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)：上海天清生物医药有限公司)；蛋白糖：吉林省华阳医药经销有限公司。

1.2 仪器与设备

AUY220分析天平：岛津公司；BYS-25型高效湿法造粒机：哈尔滨市北方制药设备制造有限公司；DHG-9140A 电热恒温鼓风干燥箱：吴江华飞电热设备有限公司；HH-S型水浴锅：河南豫华仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 制剂辅料与工艺流程[11-14]

(1)制剂辅料。柠檬酸为酸源；碳酸氢钠为碱源；PEG-6000为包裹剂；蛋白糖为甜味剂；3%聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP-K30)无水乙醇溶液为黏合剂。

(2)工艺流程。五味子泡腾颗粒固体饮料的制备工艺流程见图1。

图1 五味子泡腾颗粒固体饮料的制备工艺流程

五味子浸膏粉的制备：取五味子果实经热水浸泡去掉果皮，60 ℃烘干，碾成粉末，加入3倍量85%乙醇回流提取2次，每次3 h，过滤，合并滤液，减压浓缩干燥成浸膏粉。

制粒：将1%PEG-6000置于烧杯中水浴加热(60～80 ℃)至熔融，加入碳酸氢钠搅拌均匀，冷却后粉碎成细粉(过80目筛)；将柠檬酸、蛋白糖等辅料分别过80目筛，与五味子浸膏粉混合均匀;以PVP-K30无水乙醇溶液作为黏合剂，用湿法制粒机制粒。

干燥、整粒、包装：将湿颗粒于50 ℃鼓风干燥箱中干燥至含水量<3%，通过1号和5号药筛进行整粒，取两筛号中间颗粒，经含量测定合格后包装，即得成品。

1.3.2 泡腾剂配比试验

准确称取1 g碳酸氢钠，分别与0.6～1.5 g柠檬酸反应，计算减重量，即CO2的释放量，再测试溶液的pH值。

1.3.3 酸甜配比试验

在已经确定的碳酸氢钠与柠檬酸配比范围内，添加不同量的蛋白糖调配酸甜口感，当蛋白糖∶碳酸氢钠∶柠檬酸的质量配比为0.85∶1.12∶0.89、0.75∶0.93∶0.85、0.64∶0.89∶0.71、0.56∶0.69∶0.53、0.48∶0.55∶0.46时，根据配比关系确定蛋白糖与泡腾剂的总量分别为18%、20%、24%、26%、28%，酸甜口感均较适宜。

1.3.4 单因素实验

采用单因素实验，考察五味子浸膏添加量(6%、9%、12%、15%、17%)、蛋白糖与泡腾剂总量(18%、20%、24%、26%、28%)、黏合剂PVP-K30用量(0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%)对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响。

1.3.5 响应面优化设计[15-17]

根据单因素实验结果进行响应面优化设计，以五味子浸膏添加量(A)、蛋白糖与泡腾剂总量(B)、黏合剂PVP-K30用量(C)为考察因素，以感官评分(Y)为评价指标，试验因素与水平见表1。

表1 响应面优化试验因素与水平

1.3.6 测定方法

(1)感官评定。由18位经过培训的专业品评员(9男9女)组成感官评定小组，对随机编号的6种五味子泡腾颗粒固体饮料样品从汤色、溶化时间、风味、沉淀等四个方面进行感官评分，具体评价标准见表2。

表2 感官评价标准

(2)理化指标检测。参照GB/T 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》、GB/T 5009.4—2016《食品安全国家标准 食品中灰分的测定》，分别对五味子泡腾颗粒固体饮料中水分、灰分等理化指标进行检测。

(3)微生物指标检测。参照GB/T 4789.2—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验菌落总数测定》、GB/T 4789.3—2016《食品安全国家标准 食品微生物学检验大肠菌群计数》，分别对五味子泡腾颗粒固体饮料中菌落总数和大肠菌群等微生物指标进行检测。

2 结果与分析

2.1 PEG-6000包裹法制粒

五味子浸膏粉有较强的吸湿性，受潮后酸源和二氧化碳源会发生泡腾反应，导致成品失去泡腾效果。本研究采用PEG-6000包裹二氧化碳源，可有效隔离酸源与二氧化碳源，从而保证制剂的稳定性。此外，采用PVP-K30无水乙醇溶液制粒，并降低生产环境的湿度，有效提高了五味子泡腾颗粒固体饮料的稳定性。

2.2 泡腾剂配比试验结果

通过合理复配泡腾剂(碳酸氢钠和柠檬酸比例)达到理想的泡腾结果。由表3可知，碳酸氢钠和柠檬酸的比例在1.0∶(0.6～1.0)时，CO2的释放量较多，且pH值符合标准。

表3 复配泡腾剂对CO 2释放量和反应溶液pH值的影响

2.3 单因素实验结果

2.3.1 五味子浸膏添加量对饮料品质的影响

设计单因素实验，考察五味子浸膏添加量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响。五味子浸膏添加量6%～18%、蛋白糖与泡腾剂总量24%、PVP-K30用量1.5%，结果见图2。

图2 五味子浸膏添加量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响

由图2可知，随着五味子浸膏添加量的增加，溶化时间、灰分、水分均呈上升趋势，其中溶化时间由40 s增加到53 s，灰分含量由2.2%上升到5.6%，水分含量由1.7%上升到3.8%。当五味子浸膏添加量为6%～12%时，感官评分随着五味子浸膏添加量的增加而增加，当五味子浸膏添加量达12%时，感官评分高达92.5分，此时溶化时间为42 s、灰分含量为3.8%、水分含量为2.6%，其理化指标均符合泡腾颗粒固体饮料质量标准。当五味子浸膏添加量为12%～18%时，感官评分呈下降趋势，当五味子浸膏添加量达18%时，感官评分低至60.3分，此时水分含量为3.8%、灰分含量为5.6%，灰分指标超出固体饮料质量标准的限度范围，说明饮料中的无机盐和氧化物总含量超标。同时，试验证明，含水量超过2.6%时严重影响五味子泡腾颗粒剂的泡腾效果，CO2释放量减少，饮料底部沉淀量明显增加，饮料略有涩味，口感下降。因此，五味子浸膏最适宜的添加量是12%。

2.3.2 蛋白糖与泡腾剂总量对饮料品质的影响

设计单因素实验，考察蛋白糖与泡腾剂总量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响。五味子浸膏添加量12%、蛋白糖与泡腾剂总量18%～28%、PVP-K30用量1.5%，结果见图3。

图3 蛋白糖与泡腾剂总量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响

由图3可知，随着蛋白糖与泡腾剂总量的增加，溶化时间呈先减少后增多的趋势。当蛋白糖与泡腾剂总量为18%～26%时，感官评分呈上升趋势，最高可达95.2分，此时溶化时间为48 s、灰分含量为3.5%、水分含量为2.2%；当蛋白糖与泡腾剂总量为26%～28%时，感官评分呈下降趋势，当蛋白糖与泡腾剂总量达28%时，感官评分为73.4分，此时溶化时间为63 s、水分含量为3.9%、灰分含量为5.3%，灰分指标超出固体饮料质量标准的限度范围，且水分含量较大，影响泡腾效果，五味子本身具有的咸、涩味有所呈现，饮料口感下降。因此，蛋白糖与泡腾剂最适宜的总量为26%。

2.3.3 黏合剂PVP-K30用量对饮料品质的影响

设计单因素实验，考察黏合剂PVP-K30用量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响。五味子浸膏添加量12%、蛋白糖与泡腾剂总量26%、黏合剂PVP-K30用量0.5%～2.5%，结果见图4。

图4 PVP-K30用量对五味子泡腾颗粒固体饮料品质的影响

由图4可知，随着PVP-K30用量的增加，溶化时间、灰分、水分数值均呈上升趋势。当PVP-K30用量为0.5%～1.5%时，感官评分呈上升趋势。当PVP-K30用量为0.5%时，颗粒剂成型较差，细颗粒(通过5号筛)较多，PEG包裹性能差，颗粒泡腾效果差，饮料的苦涩味显现；当PVP-K30用量为1.5%时，感官评分最高可达90.4分，此时溶化时间为49 s、灰分含量为1.9%、水分含量为2.3%，其理化指标均符合颗粒剂固体饮料质量标准。当PVP-K30用量为1.5%～2.5%时，感官评分呈下降趋势。当PVP-K30用量为2.5%时，颗粒剂容易多粒粘附，溶化时间延长，沉淀量增加，水分含量达4.0%，泡腾效果明显减弱。因此，黏合剂PVP-K30最适宜的用量为1.5%。

2.4 响应面优化试验结果

根据单因素实验结果，进行响应面优化试验，试验结果见表4。

表4 响应面优化试验结果

利用Design Expert 8.0软件对响应面优化试验结果进行方差分析，结果见表5。得到感官评分(Y)与五味子浸膏添加量(A)、蛋白糖与泡腾剂总量(B)、黏合剂PVP-K30用量(C)的多元回归方程：Y=89.4+6.15A-1.18B-0.48C-2.82AB+1.48AC+9.83BC-4.33A2-10.73B2-6.03C2。

由表5可知，五味子泡腾颗粒固体饮料感官评分的回归方程与响应面模型的关系显著(P<0.05)，并且失拟项不显著(P>0.05)，说明该模型基本能够拟合试验结果，对于确定五味子泡腾颗粒固体饮料的最优酿造工艺具有一定的参考价值。

表5 响应面试验结果的方差分析

多元回归方程一次项B、C和交互项AC对感官评分没有表现出显著影响(P>0.05)，但是多元回归方程一次项A和交互项AB、BC及二次项A2、B2和C2分别对感官评分具有显著性影响(P<0.05)，其中一次项A、交互项BC、二次项A2、B2、C2对感官评分的影响为极显著(P<0.01)，这表明三个试验因素对感官评分的影响不是单纯的线性关系，而是二次关系。

各因素交互作用的响应面及等高线见图5。由图5可知，五味子浸膏添加量和蛋白糖与泡腾剂总量之间的交互作用对感官评分影响显著，蛋白糖与泡腾剂总量和黏合剂PVP-K30用量之间的交互作用对感官评分影响极显著。在五味子泡腾颗粒固体饮料制备过程中，五味子浸膏添加量、黏合剂PVP-K30用量对感官品质具有重要影响，主要原因是五味子富含氨基酸、挥发油、有机酸、维生素及K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、Si等矿物质元素，还富含单糖类等活性物质，这些成分与甜味剂、泡腾剂共同形成五味子饮料的特殊风味和口感。黏合剂PVP-K30的用量决定了泡腾剂能否成功将有效成分及风味释放出来。

图5 五味子浸膏添加量、蛋白糖与泡腾剂总量、PVP-K30用量的交互作用的响应面及等高线

2.5 优化条件的确定和模型验证

通过响应面优化试验，得出五味子泡腾颗粒固体饮料的最优制备工艺为五味子浸膏添加量9.28%、蛋白糖与泡腾剂总量21.34%、黏合剂PVP-K30用量1.65%，感官评分预测值为92.53分。为了便于操作，对试验条件进行适当调整，调整为五味子浸膏添加量9.3%、蛋白糖与泡腾剂总量21.3%、黏合剂PVP-K30用量1.7%。采用此条件进行验证试验，得到五味子泡腾颗粒固体饮料的感官评分为94.3分，实测值与预测值相对误差为1.9%，表明该预测结果与真实情况较符合，具有一定的参考价值。

2.6 理化指标及微生物指标检测结果

五味子泡腾颗粒剂溶于水呈黄褐色，口味酸甜，无涩味，感官优良。根据食品安全国家标准，对五味子泡腾颗粒固体饮料的理化指标及微生物指标进行检测。理化指标检测结果为水分1.8 g/100 g、灰分3.3 g/100 g、溶化时间48 s；微生物指标检测结果为菌落总数35 CFU/g、大肠菌群1.8 MPN/g，未检出其他致病菌。五味子泡腾颗粒固体饮料的各项指标均符合GB 7101—2015《食品安全国家标准 饮料》的规定。

3 结论

本研究以五味子为原料，采用PEG-6000包裹技术制备泡腾颗粒剂。在单因素实验的基础上，通过响应面试验对五味子泡腾颗粒固体饮料的制备工艺进行优化，得出最优工艺为五味子浸膏添加量9.3%、蛋白糖与泡腾剂总量21.3%、黏合剂PVP-K30用量1.7%。采用此工艺制备的五味子泡腾颗粒固体饮料的感官评分为94.3分，大肠菌群1.8 MPN/g、菌落总数35 CFU/g，未检出其他致病菌，说明该工艺参数是可靠的，可以对实际生产应用提供较好的参考价值。